Технічна інформація — Вода, повітря та озон

Відомо, що молекула кисню складається з 2 атомів: O2. За певних умов молекула кисню може дисоціювати, тобто. розпадатися на 2 окремі атоми. У природі ці умови створюються під час грози при

розрядах атмосферної електрики та у верхніх шарах атмосфери, під впливом ультрафіолетового випромінювання сонця (озоновий шар Землі).

Механізм освіти та молекулярна формула озону

Однак атом кисню не може існувати окремо і прагне згрупуватися знову. У ході такого перегрупування утворюються 3 атомні молекули.

Молекула, що складається з 3-х атомів кисню, називається озон або активований кисень, є алотропною модифікацією кисню і має молекулярну формулу O3 (d = 1.28 A, q = 116.5°).

Слід зазначити, що зв'язок третього атома в молекулі озону є відносно неміцним, що зумовлює нестабільність молекули в цілому та її схильність до саморозпаду.

Т.к. молекула озону нестабільна, озон д.б. використаний негайно дома його отримання. Для виробництва озону є спеціальні пристрої – генератори озону, які часто називають також озонаторами. В даний час в промислових умовах озон отримують трьома способами:

за допомогою УФ опромінення

за допомогою електросинтезу з використанням коронного розряду

Отримання озону за допомогою УФ опромінення

Повітря, що містить кисень або очищений кисень пропускають через спеціальну камеру, де під впливом короткохвильового УФ-опромінення молекула кисню дисоціює на 2 атоми і потім утворюється озон шляхом злиття атома і цілої молекули кисню (в кабінетах фізіотерапії запах озону супроводжуєпроцедуру кварцювання). Метод застосовується дуже обмежено, т.к. концентрації озону не перевищують 0,1% за вагою, що недостатньо для ефективного очищення та знезараження води в промислових умовах.

Електролітичний спосіб виробництва озону

Заснований на електрохімічних реакціях: при пропусканні струму через розчини електролітів, поміщені в спеціальні осередки, відбувається розкладання молекул води з утворенням атомарного кисню і потім озону.

За допомогою даного способу воду можна обробляти великими дозами озону та створювати значні концентрації озону у воді завдяки відсутності втрат, пов'язаних з недостатнім масопереносом озону з газової фази розчин, характерних для технологій отримання озону УФ-опроміненням або електросинтезом.

Однак великі енерговитрати не дозволили електролітичній технології отримання озону знайти широке поширення в промисловості.

Електросинтез озону в коронному розряді

Цей спосіб отримання озону є найнадійнішим і найефективнішим з усіх відомих і тому набув найбільшого поширення в промислових умовах. Відрізняється оптимальним співвідношенням енерговитрат до концентрації озону, що виробляється.

Коронний розряд (корона - слабке блакитно-фіолетове світіння) виникає в газі в сильно неоднорідному електричному полі між двома електродами - високовольтним і заземленим, розділеним зазором (розрядний проміжок) і діелетріком, див. рис. Озон утворюється внаслідок дисоціації молекули кисню внаслідок впливу енергії електронів, що рухаються між електродами через розрядний проміжок. Концентрація озону залежить від величини напруги, його частоти, товщини діелектрика, величини діелектричної постійної, а також відконцентрації кисню в робочому газі, що визначається типом робочого газу - осушене або неосушене повітря, кисень, а також тиском робочого газу в розрядному проміжку.

Розчинення озону у воді

Для очищення та знезараження води озон, отриманий у генераторі, необхідно розчинити в оброблюваній воді. Всі відомі способи розчинення озону у воді засновані на розбиття газового потоку, що містить озон на дрібні бульбашки. Останні, здійснюючи рух у потоці води, забезпечують перехід озону з газоподібного стану розчин. Цей перехід озону через межу поділу газової та рідкої фази називається масопереносом озону у воду.

Лише частина озону з газового потоку перетворюється на розчин і бере участь у окислювально-відновних реакціях і знезаражує воду. Частина озону, що залишилася, не розчиняється і виділяється з води в повітря (надлишковий газ).

Ефективність масопереносу - найважливіший параметр, що характеризує систему розчинення озону та вибір необхідної продуктивності генератора по озону.

На ЕМП мають прямий вплив такі параметри:

Концентрація озону у газовій фазі з виходу генератора

Розмір бульбашок газу у воді (визначає площу розділу фаз)

Хімічна потреба води в озоні

В даний час у промисловості набули поширення такі способи розчинення озону:

диспергування через спеціальні пористі насадки – диспергатори

ежектування через вакуумні інжектори

інтенсивне підмішування лопатевим змішувачем, що обертається - турбіною.

Розчинення озону за допомогою диспергаторів

Газова суміш, що містить озон, під тиском подається в диспергатори циліндричної або плоскої форми, виконані з кераміки,нержавіючої сталі або титану, що розташовані в донній частині контактного резервуара. Бульбашки, що утворюються, мають розміри від 100 мікрон до декількох міліметрів залежно від типу диспергатора. Масоперенесення озону відбувається в процесі випливання бульбашок до поверхні резервуара.

Цей спосіб розчинення озону тривалий час застосовувався і застосовується досі на деяких озонових станціях старої будівлі.

До переваг диспергування можна віднести:

Простоту та надійність внаслідок відсутності

Високу ефективність масопереносу озону у глибоких резервуарах

Основні недоліки такі:

Необхідність виготовлення глибоких резервуарів (глибина не менше 6 м)

Поверхня диспергаторів у брудній воді швидко засмічується, призводячи до збільшення об'єму бульбашок і відповідно до погіршення масопереносу.

Можливе утворення зон – вертикальних каналів – з неоднорідною концентрацією озону та різними швидкостями руху води, що може призвести до проскоку на вихід резервуару недостатньо очищеної чи знезараженої води.

Тиск до трубок, що підводять озон до диспергатора, може бути причиною виходу озону в приміщення при пошкодженнях трубок та їх з'єднань і становить потенційну небезпеку отруєння персоналу.

Вакуумні інжектори для розчинення озону

Вакуумний інжектор ( ежектор, струменевий насос) – пристрій, у якому для всмоктування газу чи рідини використовується кінетична енергія іншого газу чи рідини. Для розчинення озону у воді ежектори використовують кінетичну енергію потоку води, який прямує в трубку меншого перерізу ( трубка Вентурі), де швидкість води значно збільшується і одночасно падає тиск. В результаті утворюєтьсявакуум, який і є в даному випадку рушійною силою, що забезпечує підмішування газової суміші від генератора озону в потік води, як показано на рис. нижче.

Найважливішим параметром, від якого залежить ефективність масопереносу озону в ежекторі є коефіцієнт ежекції - відношення об'єму газу, що підмішується, до об'єму води.

Ежектори можуть встановлюватися як весь потік води, який необхідно обробити озоном, так і на частину потоку, який після розчинення в ньому озону підмішується до необробленої частини потоку.

Ежекторний спосіб розчинення озону має ряд істотних переваг:

Висока ефективність масопереносу (при правильному виборі коефіцієнта ежекції, тиску на виході ежектора та використанні додаткових пристроїв для інтенсифікації перемішування – статичних змішувачів, спеціальних насадок) може досягати 99% при розчиненні висококонцентрованого озону (6 -14%)

Обладнання для розчинення озону та контакту з водою має значно менші габарити, ніж у системах з диспергуванням.

Відсутність механічних частин, надійність

Високий ступінь безпеки – при пошкодженні озонових трубок та ущільнень вакуум не дає озону виділятися у повітря приміщення

Основний недолік ежектора – втрати тиску води, що зумовлюють необхідність використання додаткових насосів та підвищення енерговитрат.

Незважаючи на зазначений недолік ежекторний спосіб розчинення озону набув найбільшого поширення в промисловості внаслідок ефективності та надійності.

Розчинення озону турбінними змішувачами

Спосіб полягає в наступному: турбіна, закріплена на валу, що передає крутний момент від двигуна, міститься вконтактний резервуар з водою, що обробляється. Озон подається в область обертання турбіни, де відбувається утворення та розбиття бульбашок лопатями турбіни та їх інтенсивне перемішування з водою. Перемішування з високою швидкістю сприяє постійному оновленню межі поділу фаз та покращенню таким чином умов переходу озону в розчин. Зазначеним способом можна досягати високої ефективності масопереносу озону у воду (більше 90%).

Мотор, вал і турбіна є рухомими частинами, які схильні до зносу і швидко виходять з ладу в агресивному середовищі озон-вода. Тому турбінна технологія розчинення озону не знайшла широкого застосування у промисловості.

Швидкість розкладання озону у водному середовищі оцінюється з допомогою періоду напіврозпаду, тобто. часу, протягом якого концентрація озону зменшується вдвічі.

Розпад озону

У чистій воді розпад озону прискорюється зі зростанням рН та температури води та навпаки. Нижче наведено залежність періоду напіврозпаду озону у воді від температури при нейстральному рН:

---